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[摘 要]在电源管理芯片中，主要有两种稳压模块，一种为开关型稳压（DC/DC），另一种为低压差线性稳压（LDO）。虽然开关型稳压具有转换效率高的优势，但相比开关型稳压，低压差线性稳压器具有结构简单、低噪声、低功耗以及小封装和较少的外围应用器件等突出优点，在便携式电子产品中得到广泛应用。
[关键词]LDO专利技术 发展趋势 分析
中图分类号：G25553 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）37-0352-02
1、国内低压差线性稳压器专利技术统计分析
本文从探究专利分布和布局的角度出发，选择低压差线性稳压器作为技术主题，通过标准的检索方式，使用国际专利分类号结合关键词，对中国专利检索数据库中的中国发明专利进行了全面的检索，得到相关的发明专利申请量，对上述数据进行细致筛选，并作了深入的研究分析，揭示了我国在低压差线性稳压器方面发明专利申请的当前状况和未来的发展趋势。
1.1 总体申请量统计分析
在低压差线性稳压器领域，国内发明专利申请数量保持了一个曲线上升的增长趋势，如图1所示。截止到2013年12月31日，总计有765篇中国发明申请，其中申请人为国内申请人的有480件，申请人为国外申请人的有284件。
从图1可以清楚地看出，在低压差线性稳压器领域，国内申请人最早从1985年就开始申请专利，而在1985～1993年属于外国公司向中国申请专利的空白期，从1994年开始，外国公司慢慢地开始在中国进行专利布局，且在1994～2006年期间，每年的申请数量几乎都领先于国内申请人申请的数量，截止到2006年，国外申请人的申请数量为114件，而远比外国公司早开始进行专利布局的中国公司的申请数量仅为89件。受惠于国家相关产业政策的大力扶持，从2007年开始，国内各创新主体的申请量取得了快速发展，每年的申请量都超过了同时期国外申请人的申请数量，尤其是在2009年以后处于遥遥领先。
总体来看，目前该领域的专利申请仍然处于高增长的时期，随着国内自主研发的便携式电子产品的数量在不断上升，也带动了在便携式电子产品中广泛应用的低压差线性稳压器的发展，并且申请数量已经远超过国外同行。纵观全部申请人的申请数量的发展曲线，虽然在2009～2010年由于受到金融危机的影响，专利申请数量有所下降，但是从2011年开始，其又开始了新一轮更迅猛地增长，即使大多数发明专利申请都是自申请日起到满18个月才进入文本公开程序，2012～2013年的一部分专利申请还没有公开，但在申请量上仍然未呈现出下降的趋势，综上可预期，在未来的几年内，低压差线性稳压器将出现一个持续高增长时期。
1.2 申请人国别分析
在低压差线性稳压器领域，各个国籍的创新主体都非常活跃。在分析的专利中，我国申请人的发明专利申请占52.42%，具有绝对的数量优势，说明在政府的大力扶持和引导下，电子信息产业发展比较快速，相关企业的专利意识日渐提高。
在国外申请人中，美国有134件，占了总量的17.52%，领先于除中国外的其他国家，其次是日本有73件，占了10.85，考虑美国、日本企业的专利策略应用远远早于我国的企业，国内的相关企业要高度关注美国、日本在该领域的最主要的竞争对手的专利布局和发展动向，此外，台湾地区在大陆是申请数量也相当可观，仅屈于美国之下，有83件，占10.85%，大陆的相关企业也要对台湾地区的龙头企业的发展动向予以重视。在其他发达国家和地区中，欧洲地区有34件，占4.44%，韩国有12件，占了1.57，这些国家和地区在该领域也有较明显的优势，是我国企业在低压差线性稳压器领域的有力竞争对手。
2、国内外低压差线性稳压器各技术分支发展状况
2.1无片外电容
在傳统的LDO芯片中，在芯片输出端需要添加片外CL来抑制输出过冲电压，并起到稳定LDO的输出电压具有低噪声、低纹波、无电磁干扰（EMI）的特性，在大量SoC芯片或模数/数模转换芯片中，都用LDO作为一个内部模块为后续噪声敏感电路提供稳定而低噪的工作电压。在这种应用情况下，如果LDO的输出端需要片外负载电容，则在上述SoC等芯片中需要为LDO输出端留出专门的引脚与外部电容器件相连，这样不仅浪费了芯片面积，还增加了PCB板的面积以及使用片外电容所带来的额外开销。进一步，当SoC芯片中需要多个LDO模块来为不同的子模块供电时，由于输出电压的独立性，需要为上述每一个LDO模块提供独立的芯片引脚和片外负载电容，从而造成了系统成本的显著上升。为了解决上述问题，无片外负载电容的LDO芯片成为目前的一个研究热点。
无电容型LDO中，没有片外负载电容上的ESR电阻，系统零点将依靠其他机理产生。为此，无电容型LDO中的环路稳定性成为设计的一个重点。此外，在传统LDO中，片外负载电容是一个重要的电荷储存和提供器件，能有效减少由于负载电流瞬态变化引起的输出电压的跌落和过冲，对于无电容型LDO，负载的瞬态变化必须依靠调整管的快速响应。由于调整管的栅极寄生电容非常巨大，导致环路的压摆率不够，无电容型LDO比普通LDO的瞬态响应特性差，因此，在本技术分支中，提高无电容型LDO瞬态响应速度，是无电容型LDO设计的另一重点。
2.2 高电源噪声抑制
随着信息技术的进步和手机3G网络的普及，新一代的便携式通信设备能在更短的时间内、更窄的带宽上以及小信号更少的能量来传递更多的信息。这就对其连接自然世界与数字处理芯片之间的模数/数模转换电路提出了更高的要求，不仅需要它们工作在更高的频率上，还需要拥有更高的信噪比。电源上的杂波作为噪声的一种，影响着模数/数模转换器的性能。因此如何在更高频段内抑制电源噪声，成为为模数/数模转换器供电的LDO芯片一个主要研究热点。
在提高LDO电路的电源噪声抑制比的方法中，通过增加低压差线性稳压器在高频时的环路增益以提高LDO的电源抑制比属于常见的方法之一；同时，近年来，通过改变电路参数设置从而使得到达驱动管栅极的电源干扰信号更好地跟随电源电压变化而变化从而提高LDO的电源抑制比属于主流趋势。 2.3 新型频率补偿
无片外负载电容和高电源噪声抑制成为目前LDO研究的两个热点，它们显著改变了LDO芯片的外部电路和零极点分布。因此运用传统LDO设计的频率补偿方案，例如米勒电容补偿、片外负载电容寄生串联电阻（ESR）补偿，都不再适用于目前的热点LDO结构。因此，需要新型的频率补偿方案以满足在无片外负载电容和高电源噪声抑制前提下LDO环路的稳定性。
频率补偿方案的本质是控制LDO环路中零-极点的分布，从而达到闭環系统稳定的目的。传统的LDO的整个回路中主要存在两个极点，第一个极点，是由误差放大器与传输元件间寄生电容和误差放大器的输出阻抗所形成，第二个极点则是由输出电容及LDO的输出阻抗所造成，可见，第二极点的频率会随着负载电流变化而变化，然而，极点频率漂移会大幅地改变LDO的频率响应，在某些情况下可能发生回路不稳定。
为了消除LDO电路中第二极点的位置随着负载变化所带来的影响，传统的做法是在误差放大器的输出端与传输元件之间使用缓冲器以提高第一极点，从而使得作为次极点的第一极点远离作为主极点的第二极点，然而这样做需要很大的电流来驱动缓冲器，引起高功耗，针对上述问题，目前提出了在低压差线性稳压器引入自适应频率补偿技术，即次极点位置根据主极点的变化而相应变化，在主极点位置较低时，只需要较低的电流便可以实现保证次极点大于单位增益频率，而在输出大电流即负载较低时，对缓冲器注入额外电流，使得次极点与主极点以相同的速度增加，继续保证环路的稳定性。
除了对LDO的极点进行追踪，在本技术分支的核心专利中还提出了在电路中引入附加零点以抵消电路中的非主极点频率，从而获得在单位增益中只存在主极点的情况，从而获得系统稳定性。
2.4 优化瞬态响应
当LDO负载电流或供电电压跳变时，会造成LDO输出电压的变化。随后LDO芯片通过自身的线性负反馈系统使得输出电压重新回到稳定值，这一响应过程称为LDO瞬态响应。在LDO瞬变响应中有两个重要指标，过冲电压和恢复时间。前者决定了LDO输出电压的最大变化，对于某些数字电路而言，当供电电压大于标准电压的10%时会造成MOS管的击穿，从而使得芯片失效；后者决定了LDO输出电压重新恢复到稳定值所需要的时间。
LDO的瞬态响应不仅由LDO环路的小信号特性决定，还涉及LDO环路中各级放大器对其负载电容进行充放电所造成的大信号响应。因此如何协调误差放大器中带宽、摆率以及功耗之间的关系，添加辅助电路以改善大信号响应都成为目前LDO研究的一个热点。
基于传统的低压差线性稳压器依靠电阻按比例采样输出电压，采用电压型反馈与运算，限制了环路的瞬态响应性能与控制精度的问题，在现有技术中，已经提出了在电流控制型的低压降稳压电路的电流型环路控制技术中，使用有源电压缓冲器直接采用输出电压，利用跨导放大器产生控制电流，并经过积分滤波器产生功率晶体管的控制电压信号，从而有效提高环路的响应速度和控制精度；另外，在现有技术中还通过提高调整管驱动级的摆率的方法改善低压差线性稳压器的瞬态性能。
3、结束语
从上面对发明专利申请的统计分析可以看出，随着便携式电子设备的广泛普及，作为电源管理芯片主要类型之一的低压差线性稳压器的专利申请量逐年上升，尤其是在近年来形成了井喷之势，且在政府的大力扶持和引导下，我国申请人的发明专利申请具有绝对的数量优势，尤其是长三角、珠三角这些经济高度发达的地区更加显著。
参考文献
[1]《CMOS低压差线性稳压器》，王忆，科学出版社，2012-06-01.
[关键词]LDO专利技术 发展趋势 分析
中图分类号：G25553 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）37-0352-02
1、国内低压差线性稳压器专利技术统计分析
本文从探究专利分布和布局的角度出发，选择低压差线性稳压器作为技术主题，通过标准的检索方式，使用国际专利分类号结合关键词，对中国专利检索数据库中的中国发明专利进行了全面的检索，得到相关的发明专利申请量，对上述数据进行细致筛选，并作了深入的研究分析，揭示了我国在低压差线性稳压器方面发明专利申请的当前状况和未来的发展趋势。
1.1 总体申请量统计分析
在低压差线性稳压器领域，国内发明专利申请数量保持了一个曲线上升的增长趋势，如图1所示。截止到2013年12月31日，总计有765篇中国发明申请，其中申请人为国内申请人的有480件，申请人为国外申请人的有284件。
从图1可以清楚地看出，在低压差线性稳压器领域，国内申请人最早从1985年就开始申请专利，而在1985～1993年属于外国公司向中国申请专利的空白期，从1994年开始，外国公司慢慢地开始在中国进行专利布局，且在1994～2006年期间，每年的申请数量几乎都领先于国内申请人申请的数量，截止到2006年，国外申请人的申请数量为114件，而远比外国公司早开始进行专利布局的中国公司的申请数量仅为89件。受惠于国家相关产业政策的大力扶持，从2007年开始，国内各创新主体的申请量取得了快速发展，每年的申请量都超过了同时期国外申请人的申请数量，尤其是在2009年以后处于遥遥领先。
总体来看，目前该领域的专利申请仍然处于高增长的时期，随着国内自主研发的便携式电子产品的数量在不断上升，也带动了在便携式电子产品中广泛应用的低压差线性稳压器的发展，并且申请数量已经远超过国外同行。纵观全部申请人的申请数量的发展曲线，虽然在2009～2010年由于受到金融危机的影响，专利申请数量有所下降，但是从2011年开始，其又开始了新一轮更迅猛地增长，即使大多数发明专利申请都是自申请日起到满18个月才进入文本公开程序，2012～2013年的一部分专利申请还没有公开，但在申请量上仍然未呈现出下降的趋势，综上可预期，在未来的几年内，低压差线性稳压器将出现一个持续高增长时期。
1.2 申请人国别分析
在低压差线性稳压器领域，各个国籍的创新主体都非常活跃。在分析的专利中，我国申请人的发明专利申请占52.42%，具有绝对的数量优势，说明在政府的大力扶持和引导下，电子信息产业发展比较快速，相关企业的专利意识日渐提高。
在国外申请人中，美国有134件，占了总量的17.52%，领先于除中国外的其他国家，其次是日本有73件，占了10.85，考虑美国、日本企业的专利策略应用远远早于我国的企业，国内的相关企业要高度关注美国、日本在该领域的最主要的竞争对手的专利布局和发展动向，此外，台湾地区在大陆是申请数量也相当可观，仅屈于美国之下，有83件，占10.85%，大陆的相关企业也要对台湾地区的龙头企业的发展动向予以重视。在其他发达国家和地区中，欧洲地区有34件，占4.44%，韩国有12件，占了1.57，这些国家和地区在该领域也有较明显的优势，是我国企业在低压差线性稳压器领域的有力竞争对手。
2、国内外低压差线性稳压器各技术分支发展状况
2.1无片外电容
在傳统的LDO芯片中，在芯片输出端需要添加片外CL来抑制输出过冲电压，并起到稳定LDO的输出电压具有低噪声、低纹波、无电磁干扰（EMI）的特性，在大量SoC芯片或模数/数模转换芯片中，都用LDO作为一个内部模块为后续噪声敏感电路提供稳定而低噪的工作电压。在这种应用情况下，如果LDO的输出端需要片外负载电容，则在上述SoC等芯片中需要为LDO输出端留出专门的引脚与外部电容器件相连，这样不仅浪费了芯片面积，还增加了PCB板的面积以及使用片外电容所带来的额外开销。进一步，当SoC芯片中需要多个LDO模块来为不同的子模块供电时，由于输出电压的独立性，需要为上述每一个LDO模块提供独立的芯片引脚和片外负载电容，从而造成了系统成本的显著上升。为了解决上述问题，无片外负载电容的LDO芯片成为目前的一个研究热点。
无电容型LDO中，没有片外负载电容上的ESR电阻，系统零点将依靠其他机理产生。为此，无电容型LDO中的环路稳定性成为设计的一个重点。此外，在传统LDO中，片外负载电容是一个重要的电荷储存和提供器件，能有效减少由于负载电流瞬态变化引起的输出电压的跌落和过冲，对于无电容型LDO，负载的瞬态变化必须依靠调整管的快速响应。由于调整管的栅极寄生电容非常巨大，导致环路的压摆率不够，无电容型LDO比普通LDO的瞬态响应特性差，因此，在本技术分支中，提高无电容型LDO瞬态响应速度，是无电容型LDO设计的另一重点。
2.2 高电源噪声抑制
随着信息技术的进步和手机3G网络的普及，新一代的便携式通信设备能在更短的时间内、更窄的带宽上以及小信号更少的能量来传递更多的信息。这就对其连接自然世界与数字处理芯片之间的模数/数模转换电路提出了更高的要求，不仅需要它们工作在更高的频率上，还需要拥有更高的信噪比。电源上的杂波作为噪声的一种，影响着模数/数模转换器的性能。因此如何在更高频段内抑制电源噪声，成为为模数/数模转换器供电的LDO芯片一个主要研究热点。
在提高LDO电路的电源噪声抑制比的方法中，通过增加低压差线性稳压器在高频时的环路增益以提高LDO的电源抑制比属于常见的方法之一；同时，近年来，通过改变电路参数设置从而使得到达驱动管栅极的电源干扰信号更好地跟随电源电压变化而变化从而提高LDO的电源抑制比属于主流趋势。 2.3 新型频率补偿
无片外负载电容和高电源噪声抑制成为目前LDO研究的两个热点，它们显著改变了LDO芯片的外部电路和零极点分布。因此运用传统LDO设计的频率补偿方案，例如米勒电容补偿、片外负载电容寄生串联电阻（ESR）补偿，都不再适用于目前的热点LDO结构。因此，需要新型的频率补偿方案以满足在无片外负载电容和高电源噪声抑制前提下LDO环路的稳定性。
频率补偿方案的本质是控制LDO环路中零-极点的分布，从而达到闭環系统稳定的目的。传统的LDO的整个回路中主要存在两个极点，第一个极点，是由误差放大器与传输元件间寄生电容和误差放大器的输出阻抗所形成，第二个极点则是由输出电容及LDO的输出阻抗所造成，可见，第二极点的频率会随着负载电流变化而变化，然而，极点频率漂移会大幅地改变LDO的频率响应，在某些情况下可能发生回路不稳定。
为了消除LDO电路中第二极点的位置随着负载变化所带来的影响，传统的做法是在误差放大器的输出端与传输元件之间使用缓冲器以提高第一极点，从而使得作为次极点的第一极点远离作为主极点的第二极点，然而这样做需要很大的电流来驱动缓冲器，引起高功耗，针对上述问题，目前提出了在低压差线性稳压器引入自适应频率补偿技术，即次极点位置根据主极点的变化而相应变化，在主极点位置较低时，只需要较低的电流便可以实现保证次极点大于单位增益频率，而在输出大电流即负载较低时，对缓冲器注入额外电流，使得次极点与主极点以相同的速度增加，继续保证环路的稳定性。
除了对LDO的极点进行追踪，在本技术分支的核心专利中还提出了在电路中引入附加零点以抵消电路中的非主极点频率，从而获得在单位增益中只存在主极点的情况，从而获得系统稳定性。
2.4 优化瞬态响应
当LDO负载电流或供电电压跳变时，会造成LDO输出电压的变化。随后LDO芯片通过自身的线性负反馈系统使得输出电压重新回到稳定值，这一响应过程称为LDO瞬态响应。在LDO瞬变响应中有两个重要指标，过冲电压和恢复时间。前者决定了LDO输出电压的最大变化，对于某些数字电路而言，当供电电压大于标准电压的10%时会造成MOS管的击穿，从而使得芯片失效；后者决定了LDO输出电压重新恢复到稳定值所需要的时间。
LDO的瞬态响应不仅由LDO环路的小信号特性决定，还涉及LDO环路中各级放大器对其负载电容进行充放电所造成的大信号响应。因此如何协调误差放大器中带宽、摆率以及功耗之间的关系，添加辅助电路以改善大信号响应都成为目前LDO研究的一个热点。
基于传统的低压差线性稳压器依靠电阻按比例采样输出电压，采用电压型反馈与运算，限制了环路的瞬态响应性能与控制精度的问题，在现有技术中，已经提出了在电流控制型的低压降稳压电路的电流型环路控制技术中，使用有源电压缓冲器直接采用输出电压，利用跨导放大器产生控制电流，并经过积分滤波器产生功率晶体管的控制电压信号，从而有效提高环路的响应速度和控制精度；另外，在现有技术中还通过提高调整管驱动级的摆率的方法改善低压差线性稳压器的瞬态性能。
3、结束语
从上面对发明专利申请的统计分析可以看出，随着便携式电子设备的广泛普及，作为电源管理芯片主要类型之一的低压差线性稳压器的专利申请量逐年上升，尤其是在近年来形成了井喷之势，且在政府的大力扶持和引导下，我国申请人的发明专利申请具有绝对的数量优势，尤其是长三角、珠三角这些经济高度发达的地区更加显著。
参考文献
[1]《CMOS低压差线性稳压器》，王忆，科学出版社，2012-06-01.